Nel fiore coesistono due generazioni che si alternano durante il ciclo vitale di una pianta e cioè la generazione sporofitica diploide e quella

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1 Il fiore

2 Nel fiore coesistono due generazioni che si alternano durante il ciclo vitale di una pianta e cioè la generazione sporofitica diploide e quella gametofitica aploide. Il processo che porta alla formazione del fiore è molto complesso e non solo dal punto di vista morfologico ma anche per quanto riguarda il controllo genico.

3 Caratteristiche citologiche di un meristema determinato a fiore: 1) Aumentata sintesi di DNA nella zona centrale del meristema caulinare (ZC) 2) Sincronizzazione del ciclo cellulare 3) Aumentata sintesi di DNA e RNA in tutto l apice 4) Aumento del contenuto proteico totale 5) Aumento di mitocondri 6) Considerevole allargamento e riorganizzazione dei nucleoli.

4 Tabacco: apice fiorale Tabacco: apice caulinare Notare la diversa meristematizzazione della ZC

5 Infiorescenza indefinita Fiore definito Il meristema dell infiorescenza si differenzia parzialmente o completamente in meristema fiorale da cui si differenzieranno i verticilli fiorali. Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

6 Il fiore è un germoglio a crescita determinata, con un asse corto, che porta gli sporofilli, foglie modificate, che a loro volta portano gli sporangi. Verticilli concentrici Verticilli spiralati (carattere arcaico) Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

7 I processi della microsporogenesi/microgametogenesi e macrosporogenesi/macrogametogenesi, che portano alla formazione del gamete maschile e femminile rispettivamente, hanno luogo nelle parti fiorali fertili (sporofilli). Le parti fertili del fiore sono: il gineceo che è la sede della megasporogenesi/megagametogenesi, l androceo dove avviene invece la microsprogenesi/microgametogenesi.

8 microsporogenesi/microgametogenesi androceo gineceo Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES macrosporogenesi/macrogametogenesi

9 Il fiore ermafrodita porta organi sia maschili che femminili. Con l evoluzione si è affermato il dimorfismo sessuale che porta a fiori unisessuali staminiferi (maschili) e pistilliferi (femminili). Se i fiori maschili e femminili sono sulla stesso individuo le piante sono monoiche se su individui diversi le piante sono dioiche. Ad esempio, sia in Zea mais che in Actinidia deliciosa (Kiwi) il differenziamento degli stami e dei carpelli inizia, ma un solo tipo di organo va avanti nello sviluppo. In altre specie a dimorfismo sessuale i fiori sembrano competenti fin dall inizio a produrre un solo sesso.

10 Neri fiori attinomorfi (simmetria raggiata) tutti gli organi fiorali della stessa identità (sepali, petali, stami e carpelli) sono uguali. Nei fiori zigomorfi (simmetria bilaterale) gli organi fiorali hanno forma e dimensioni differenti a seconda della posizione sull asse fiorale. La morfologia degli organi fiorali si associa all interazione con gli impollinatori. Le forme particolari dei fiori zigomorfi rendono molto specifica la visita degli impollinatori. Al contrario, i fiori attinomorfi sono visitati da un ampio numero di impollinatori diversi. Per studiare le basi della simmetria dei fiori zigomorfi è stato utilizzato Anthirrinum majus, la bocca di leone Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

11 Il fiore della bocca di leone ha 5 petali di diverse forme e dimensioni, 2 petali dorsali sono grandi e senza peli, i petali laterali sono piccoli e il petalo ventrale ha una forma ancora diversa. Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES Anche gli stami hanno una morfologia diversa, lo stame dorsale abortisce precocemente, i due stami laterali sono più corti di quelli ventrali.

12 Analizzando alcuni mutanti di questa pianta con alterazioni della morfologia fiorale è stato possibile individuare alcuni geni responsabili della simmetria dorso-ventrale del fiore. Questi sono CYCLOIDEA (CYC) e DICHOTOMA (DICH). Mutanti cyc e dich mostrano una ridotta simmetria zigomorfa e il doppio mutante cycdich presenta fiori a simmetria raggiata. Questi geni sono espressi molto presto durante lo sviluppo del fiore, ancora prima della comparsa dei verticilli fiorali stessi, nella regione dorsale del meristema fiorale. Successivamente nello sviluppo, questi geni rimangono confinati solo nei primordi dei petali e dello stame dorsale e sembrano condizionare la forma di questi organi. Per la simmetria zigomorfa dei fiori di altre specie tuttavia non è ancora chiaro se intervengano gli stessi geni.

13 Il fiore di Arabidopsis è attinomorfo, è formato da 4 sepali, 4 petali e 6 stami di cui 2 più corti, e da un pistillo formato da due carpelli fusi. L ovario è formato da due valve separate, suddiviso in due cavità separate da un setto da cui sporgono gli ovuli. Dopo la fecondazione ogni ovulo si trasforma in seme e l ovario che lo racchiude diventa il frutto, la siliqua.

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20 Il meristema fiorale, mediante divisioni, distensione e differenziamento cellulare si trasforma in un fiore costituito dai vari verticilli. Questi si formano nello stesso numero e sequenza tipica della specie I sepali rappresentano il/i verticillo/i inserito/i per primo/i sull asse fiorale, a partire dal basso, seguiti poi dai petali e, nella parte centrale residua del meristema,si organizzano gli stami ed i carpelli. Sequenza dello sviluppo dei pezzi fiorali: Calice Corolla Stami Carpelli (successione acropeta o centripeta)

21 La maggior parte delle informazioni acquisite sullo sviluppo fiorale sono state ottenute in Arabidopsis e tramite analisi dei mutanti omeotici fiorali. Le mutazioni omeotiche determinano nel fiore la formazione di organi normali in posizione sbagliata. Es. di mutanti omeotici sono le varietà di rose coltivate (elevato numero di petali, che in effetti sono stami modificati), la rosa selvatica ha solo 5 petali. Lo studio di questi mutanti omeotici ha permesso di identificare classi di geni (FT) che controllano l organizzazione e lo sviluppo dei verticilli fiorali, la loro regolare espressione porta al normale sviluppo del fiore

22 Un gene omeotico (omeogene) è il gene che regola una serie di altri geni adibiti allo sviluppo del piano strutturale di un organismo. In alcune cellule del corpo questi geni omeotici sono attivi, in altre cellule sono disattivi, il risultato finale è un organismo adulto. Una mutazione di un gene omeotico è responsabile di malformazioni morfologiche dell'organismo in evoluzione.

23 4 VERTICILLI: Quattro sepali (verdi) Quattro petali (bianchi) Sei stami (quattro più lunghi) Un pistillo (composto da due carpelli) Il fiore di Arabidopsis

24 MODELLO ABC Negli anni 90 E. Meyerowitz, E. Coen et al. proposero il modello ABC per l identità degli organi fiorali Basato sullo studio dei mutanti fiorali omeotici di Arabidopsis e Anthirrinum Modello semplice e applicabile a molte angiosperme Ancora oggi valido con integrazione di nuovi geni

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26 Il modello ABC prevede che nel primo verticillo l espressione dei geni di classe A specifichi l identità dei sepali Nel secondo verticillo la co-espressione dei geni A e B determinano l identità dei petali. Inoltre le proteine codificate dai geni di classe A nel primo e secondo verticillo reprimono l espressione dei geni C L espressione dei geni di classe C e D nel terzo verticillo determina l identità degli stami L espressione dei geni di classe C nel quarto verticillo determinano lìidentità dei carpelli

27 Il modello ABC prevede che i sepali siano determinati dall attività dei geni di classe A (AP1 e AP2), i petali dai geni A e B (AP3), gli stami dai geni B e C (AG) e i carpelli dai geni C. Sono tutti FT, la maggior parte con dominio MADS (MADSbox a 58 aa in grado di legare il DNA) Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

28 Un altro gruppo di geni responsabili della corretta organizzazione del fiore è rappresentato da APETALA e PISTILLATA. 3 tipi di mutanti hanno permesso di comprendere lo sviluppo fiorale. 1 classe: apetala 1 e apetala 2: i sepali sono convertiti in carpelli ed i petali in stami Ca/St/St/Ca 2 classe: apetala 3/pistillata: i petali sono convertiti in sepali e gli stami in carpelli Se/Se/Ca/Ca 3 classe: agamous: gli stami sono convertiti in petali ed i carpelli in sepali Se/Pe/Pe/Se Le mutazioni interessano sempre 2 verticilli adiacenti L analisi dei mutanti ha permesso di ipotizzare che ciascuna delle 3 classi di mutanti è il risultato della mancanza di un attività genica essenziale per la normale formazione del fiore.

29 Wild type Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES agamous Il blocco dei geni C porta alla formazione di fiori con sepali, petali, petali al posto degli stami e un nuovo fiore al posto dei carpelli.

30 Perché nel mutante ag si forma un nuovo fiore al posto dei carpelli? In questo mutante si ha la perdita della determinazione del meristema fiorale. Il meristema fiorale in mancanza dei geni C non è più determinato e le cellule meristematiche al centro del meristema non si esauriscono, ma continuano a formare nuovi organi. L indeterminazione del meristema dal fatto che AG inibisce WUSCHEL, responsabile insieme a CLAVATA nel mantenere costante il numero di cellule staminali nel meristema caulinare.

31 Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES Pistillata,petali in carpelli e stami in carpelli apetala2 Ap2, conversione di sepali in carpelli, no petali o loro conversione in stami agamous ag,stami in petali e nuovo fiore al posto dei carpelli

32 Cosa succede se sono difettosi contemporaneamente i geni di classe A, B e C?? Triplo mutante difettoso di geni di classe A, B e C mostra tutti i verticilli fiorali convertiti in foglie!!!!

33 MODELLO ABCDE Alla metà degli anni 90 il modello fu esteso ad un altra classe di geni la classe D. Questi geni, FLORAL BINDING PROTEIN7 e 11 (FBP7 e 11), furono identificati in petunia e si osservò che erano indispensabili per determinare l identità dell ovulo Mutanti fbp7 e fbp11 presentano strutture simili a carpelli al posto degli ovuli. E la loro sovraespressione determina la formazione ectopica di ovuli su sepali e petali.

34 I geni di classe D in Arabidopsis sono rappresentati da SEEDSTICK (STK), omologo a FBP7 e FBP11. L espressione ectopica di questo gene forma ovuli ectopici e strutture simili a carpelli sui sepali. STK comunque è necessario anche per una corretta formazione del funicolo e per l abscissione dei semi.

35 Nel 2000 questo modello è stato ulteriormente amplificato aggiungendo i geni di classe E. Questa classe di geni è rappresentata dai geni SEPALLATA (SEP). È stato dimostrato che questi geni sono necessari per la determinazione di tutti gli organi fiorali. Sono espressi in tutti gli organi fiorali già a livello di primordio, ma non sono espressi nel doma vegetativo. I geni SEP sono necessari per la conversione delle foglie in organi fiorali Triplo mutante sep1sep2sep3 quadruplo mutante sep1sep2sep3sep4: Fiori di foglie Fiore solo di sepali Fiore indeterminato

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37 Lo studio dei mutanti sep e dell azione dei geni SEP ha permesso di confermare la vecchia intuizione che i verticilli fiorali sono foglie modificate. Gli organi fiorali si formano correttamente solo se i geni di classe A, B, C, D ed E vengono espressi in modo corretto. C,E=carpelli C,E,D=ovuli

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40 L espressione dei geni d identità dei verticilli fiorali è controllata in modo rigoroso. Lo studio dell espressione dei geni omeotici e dei loro promotori propone che la loro regolazione avvenga soprattutto a livello trascrizionale perchè i promotori dei geni sono attivi solo nei verticilli in cui è richiesta la loro funzione. La regolazione di AG è quella più studiata e sono stati individuati sia attivatori che repressori di questo gene.

41 È possibile estendere il modello ABC anche ai fiori delle altre Angiosperme? Si Negli ultimi anni si stanno isolando e caratterizzando numerosi geni in diverse specie di Angiosperme che appartengono un po a tutte le classi di geni identificate in Arabidopsis. Anche nelle monocotiledoni ad es. è stato dimostrato che i geni di classe B sono espressi anche nel primo verticillo in questo modo anzichè sepali e petali si formano i tepali. Arabidopsis tulipano

42 Perianzio Le specie autogame sono le specie che si autofecondano.

43 Processi che hanno luogo nello stame per un impollinazione di successo nelle piante autogame sono: -maturazione del polline -deiscenza dell antera, necessaria per il rilascio del polline -allungamento del filamento staminale, lo stame deve raggiungere la giusta posizione rispetto allo stigma.

44 Gli ormoni regolano questi processi di sviluppo e li coordinano l un l altro e con lo sviluppo del carpello. É noto che l auxina regola i primi stadi di sviluppo dello stame. È stato dimostrato che anche l acido giasmonico è implicato in questi processi e soprattutto nel coordinare le fasi di rilascio del polline ed apertura del fiore (antesi).

45 L auxina regola gli stadi precoci dello sviluppo degli stami. 1) Doppi mutanti per i geni YUC2 e YUC6 mostrano primordi degli stami formati regolarmente, ma successivo sviluppo fortemente alterato. Raramente producono polline vitale e l allungamento dello stame è ridotto. I geni YUC sono geni della biosintesi dell auxina. 2) Mutanti per geni ARF (Auxin Response Factors) hanno stami con filamenti corti e antere indeiscenti.

46 Il gametofito maschile Il microgametofito, che contiene i microgameti, delle piante a fiore è un individuo molto piccolo è formato solo da due o tre cellule. Si sviluppa all interno dell antera e si chiama polline. L intero processo di sviluppo che porta alla formazione dei microgameti è noto come microgametogenesi e segue la microsporogenesi. All inizio del suo sviluppo l antera è formata da una massa di cellule uniforme circondata da un epidermide solo parzialmente differenziata. Alla fine del suo sviluppo all interno dell antera si individuano 4 gruppi di cellule, uno per loggia, costituenti il tessuto sporigeno o archesporio.

47 Ogni gruppo è circondato da vari strati di cellule sterili dalle quali si svilupperà la parete della loggia, o sacca pollinica, che comprende cellule a funzioni nutritive per le microspore in via di sviluppo. Le cellule nutrici costituiscono il tappeto, e questo è lo strato più interno della parete dell antera. Le cellule sporigene si trasformano in microsporociti (cellule madri delle microspore) che subiscono la meiosi. Ogni microsporocito diploide produce una tetrade di microspore aploidi. Con la formazione delle microspore aploidi si conclude la microsporogenesi. La tetrade di microspore può essere contenuta all interno di una parete molto resistente formata da callosio.

48 Tetradi circondate da callosio

49 Durante la meiosi, ogni divisione nucleare può essere immediatamente seguita dalla formazione di una parete, oppure i 4 protoplasti delle microspore possono essere rivestiti da parete solo dopo la seconda divisione della meiosi. La prima condizione è comune tra le monocotiledoni, la seconda tra le dicotiledoni. Il successivo sviluppo determina le caratteristiche tipiche del granulo pollinico. I granuli pollinici si rivestono di un resistente involucro l ESINA e di una parete interna l INTINA. L esina è composta da una sostanza estremamente resistente la SPOROPOLLENINA. E il biopolimero più resistente che si conosca, è presente nelle pareti delle spore di tutte le piante. L esina deriva dal tappeto.

50 L intina composta essenzialmente di cellulosa e pectine, viene depositata dal protoplasto della microspora. La microgametogenesi, nelle Angiosperme inizia con la mitosi della microspora e la formazione di due cellule all interno della parete cellulare originale. La divisione mitotica dà origine a una grande cellula del tubetto e ad una cellula generativa più piccola. Questa struttura è il granulo pollinico o microgametofito immaturo. In un gran numero di Angiosperme il granulo pollinico viene rilasciato dalle antere in questo stadio. In alcune specie il nucleo della cellula generativa si divide ancora prima della liberazione del polline dall antera dando origine ai due gameti maschili o cellule spermatiche.

51 Per identificare i fattori che controllano lo sviluppo del polline si è ricorso a mutanti con uno sviluppo anomalo del microgametofito. Il tappeto che circonda le cellule madri delle microspore produce proteine e lipidi necessari allo sviluppo del polline. In mutanti con polline non fertile è stato osservato un anomalia nelle funzioni del tappeto. In questo caso tutti i granuli pollinici sono sterili perchè il tappeto è un tessuto dello sporofito e la sua azione si riflette su tutte le cellule che si formano al suo interno. Altre mutazioni alterano le fasi della microgametogenesi. In particolare nel mutante duo si ha la prima divisione asimmetrica, nella microspora, con formazione di una cellula più grande, la cellula vegetativa, ed una più piccola, la cellula generativa (divisione regolare), però quest ultima non si divide una seconda volta per formare i due nuclei spermatici. Altre anomalie sono state identificate a carico della germinazione del polline e dell allungamento tubetto pollinico.

52 Ammettendo che sia un segnale ormonale ad attivare il processo di deiscenza dell antera, questo si origina nei meiociti maschili? improbabile: mutanti di Arabidopsis pollenless e piante maschiosterili di tabacco presentano normale deiscenza (Sanders et al., 1999, Mariani et al., 1990, Roberts et al., 2002) oppure è possibile che il segnale provenga dal filamento staminale o sia prodotto nei tessuti somatici dell antera?

53 Auxin regulates Arabidopsis anther dehiscence, pollen maturation and filament elongation Plant Cell. 2008; 20(7): Autori: Valentina Cecchetti, Maria Maddalena Altamura, Giuseppina Falasca, Paolo Costantino, and Maura Cardarelli

54 Stadi di sviluppo di androceo e gineceo in Arabidopsis Stadio 7: diventano distinguibili filamento ed antera Stadio 8: premeiosi Stadio 10: fine meiosi Stadio 13:deiscenza dell antera Plant Cell. 2008; 20(7):

55 In Arabidopsis è stato dimostrato che: L auxina è presente ad alti livelli subito dopo la fine della meiosi. In particolare nei tessuti dell antera (endotecio, middle layer e tappeto), nelle microspore e nel procambio del filamento con maggiore accumulo nella zona di giunzione fra filamento ed antera. I livelli di auxina diminuiscono con l inizio della maturazione del polline, quindi l auxina è attiva in una finestra temporale precisa.

56 Per capire se l auxina venga sintetizzata nell antera ed in quali stadi, è stata analizzata la localizzazione di trascritti dei geni biosintetici dell ormone (YUC2 e YUC6)

57 I due geni si esprimono contemporaneamente e negli stessi tessuti. L espressione è massima allo stadio 8 cioè prima dell inizio della meiosi, diminuisce durante gli stadi successivi e si spegne completamente allo stadio 12. L espressione è evidente negli stessi tessuti (endotecio, tappeto, middle layer e cellule madri delle microspore e procambio del filamento) dove dallo stadio 10 in poi si vede l accumulo dell ormone

58 In Arabidopsis alla fine della meiosi, quando i recettori dell auxina sono attivi così come i geni per la biosintesi dell auxina, l ormone induce l allungamento dello stame e previene la precoce lignificazione dell endotecio, la precoce maturazione del polline e la rottura dello stomio (necessaria per la deiscenza). Tuttavia, l auxina che controlla questi eventi è quella sintetizzata in loco e non trasportata da altri tessuti. Quindi l auxina coordina la deiscenza dell antera e la maturazione del polline. L acido giasmonico è anche coinvolto nella deiscenza. La relazione fra auxina ed acido giasmonico è stata stabilita di recente

59 Auxin controls Arabidopsis anther dehiscence by regulating endothecium lignification and jasmonic acid biosynthesis. Cecchetti V, Altamura MM, Brunetti P, Petrocelli V, Falasca G, Ljung K, Costantino P, Cardarelli M. Plant J. 2013;74(3):

60 Ci sono geni comuni nel controllo degli eventi che hanno luogo nell antera e nell ovario?

61 I SERK si esprimono sia nell antera che nell ovario CpSERK1 Si esprimono nel ricettacolo, negli ovuli, nella nucella,nell embriosacco, nell antera a livello di archesporio, nel procambio del filamento staminale, e, dopo la fecondazione, nell embrione zigotico fino allo stadio di torpedine. L espressione rimane nel procambio e nei poli radicale e caulinare dell embrione allo stadio cotiledonare e nelle regioni a caratteristiche staminali della pianta. Consultare la pubblicazione citata nella successiva diapositiva CpSERK1 CpSERK2 CpSERK2 J Exp Bot. 2012;6 3(1):

62 Il polline arriva sullo stigma di un fiore, dove avviene il riconoscimento, aderisce alla superficie stigmatica recettiva, il polline riassume acqua dallo stigma stesso (reidratazione) riattiva il metabolismo e germina producendo il tubetto pollinico, questo ha il compito di veicolare i microgameti fino al sacco embrionale. Lo stigma oltre all acqua fornisce al granulo pollinico elementi inorganici necessari per la germinazione, essenzialmente calcio e boro.

63 FECONDAZIONE Il granulo pollinico germina, il tubetto si allunga, attraversa lo stilo arriva fino all ovulo tramite il micropilo. Raggiunge il gametofito femminile e rilascia le due cellule spermatiche. Una raggiunge la cellula uovo e il suo nucleo si fonde con il nucleo dell ovocellula e forma così il nucleo diploide dello ZIGOTE.

64 Mediante le colture in vitro di gameti isolati, è stato possibile, alla fine degli anni 80, dimostrare l importanza di alcuni composti nel processo della fecondazione. Uno di questi è il Calcio. Probabilmente la fusione dei gameti è favorita da un aumento della concentrazione citoplasmatica del calcio. In vivo le cellule che formano il gametofito femminile producono molecole segnale che guidano il tubetto pollinico e il trasporto dei due nuclei spermatici uno verso la cellula uovo ed uno verso la cellula proendospermatica. Queste molecole sono prodotte sia dal gametofito ma anche dallo sporofito. Recentemente è stato dimostrato che l acido gamma-amminobutirrico viene prodotto dai tessuti dello sporofito e probabilmente implicato nel processo.

65 Durante la doppia fecondazione una delle cellule sinergidi degenera, il tubetto pollinico entra nella cellula degenerata, si rompe e rilascia i nuclei spermatici. Il ruolo delle sinergidi nella fecondazione è stato dimostrato con esperimenti di ablazione laser. Eliminando una o tutte e due le cellule sinergidi l attrazione del tubetto pollinico viene a mancare. Probabilmente le sinergidi rilasciano un qualche segnale che guida il tubetto pollinico, ma ad oggi non è stato ancora identificata la natura di questo segnale.

66 Domande Quante generazioni sono presenti nel fiore? Quali trasformazioni avvengono in un doma dopo la sua determinazione a fiore? Cosa sono i verticilli fiorali ed a cosa servono? Che differenza c è fra i fiori attinomorfi e quelli zigomorfi? Esistono geni della condizione zigomorfa, ed in che pianta sono stati studiati? L espressione di quali geni è implicata nella realizzazione del modello ABCDE? Quali processi avvengono nello stame? Quali sono governati dall auxina? Quali geni sono implicati nello sviluppo dell ovulo?